大面积柔性X射线吸收光栅的逐层喷涂制造方法

《Scientific Reports》：Scalable and cost-effective fabrication of X-ray absorption gratings via thin-film spray coating

　　

摘要

X射线光栅干涉（XGI）是一种多模态成像技术，能够同时获取吸收、相位衬度和暗场信号，为各类样品提供互补的对比度机制。特别是，相位衬度和暗场通道对软组织以及成像系统空间分辨率以下的微观结构具有增强的敏感性，使XGI在医学诊断和安全筛查领域极具应用前景。然而，XGI在临床和工业领域的广泛应用仍受到高长宽比吸收光栅高成本和复杂制造工艺的限制，尤其是当扩展到较大视场时。在本工作中，我们提出了一种具有成本效益的方法，通过交替喷涂金属氧化物微粒层和有机聚合物薄膜来制造高能X射线吸收光栅。这种逐层构建的方法避免了昂贵的光刻和电镀工艺，为大面积极量产提供了简便的可扩展性。所得结构的一个关键优势是其固有的机械柔韧性，允许光栅弯曲以适应发散的X射线波前，从而扩展可用的视场范围。为验证该方法，我们制造了一块大面积吸收光栅，其周期小于\(40\ \upmu \text {m}\)，有效面积为\(140\ \text {mm} \times 25\ \text {mm}\)。X射线表征证实，在大面积光栅的代表性\(25 \text {mm} \times 24\ \text {mm}\)区域内，光栅周期具有良好的均匀性。由于吸收体高度由切片厚度决定，而非电镀或深刻蚀工艺决定，同一复合堆叠体可切割为成像系统所需的任意吸收体厚度，本文研究的\(1\ \text {mm}\)切片仅作为代表性示例。对于该切片，X射线透射能量扫描结合谱加权Beer–Lambert反演得出在\(120\ \text {kVp}\)（临床肺部暗场CT的典型工作电压）下的金等效吸收体高度约为\(206\ \upmu \text {m}\)。高达\(600\ \text {kGy}\)的辐射老化测试表明，机械强度无统计学显著退化，证明了该光栅适用于XGI应用。